concepção de modelo de microrrede em corrente contínua com fontes renováveis alternativas

85 Pages·2017·2.28 MB·Portuguese

by  Lucas P Kassar

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CÂMPUS CURITIBA
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

LUCAS PAULATTI KASSAR

CONCEPÇÃO DE MODELO DE MICRORREDE EM CORRENTE
CONTÍNUA COM FONTES RENOVÁVEIS ALTERNATIVAS

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURITIBA
2018
LUCAS PAULATTI KASSAR

CONCEPÇÃO DE MODELO DE MICRORREDE EM CORRENTE
CONTÍNUA COM FONTES RENOVÁVEIS ALTERNATIVAS

Trabalho de Conclusão de Curso de
Graduação, apresentado à disciplina de TCC
2, do Departamento de Eletrotécnica
(DAELT) da Universidade Tecnológica
Federal do Paraná (UTFPR), como requisito
parcial para obtenção do título de
Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Eloi Rufato Junior.

CURITIBA
2018
Lucas Paulatti Kassar

Concepção de Modelo de Microrrede em Corrente Contínua com
Fontes Renováveis Alternativas

Este Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para
a obtenção do Título de Engenheiro de Controle e Automação, do curso de Engenharia de Controle e
Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica
Federal do Paraná (UTFPR).

Curitiba, 13 de junho de 2018.

____________________________________
Prof. Paulo Sérgio Walenia, Esp.
Coordenador de Curso
Engenharia de Controle e Automação

____________________________________
Profa. Annemarlen Gehrke Castagna, Mestre
Responsável pelos Trabalhos de Conclusão de Curso
de Engenharia de Controle e Automação do DAELT

ORIENTAÇÃO BANCA EXAMINADORA

______________________________________ _____________________________________
Prof. Eloi Rufato Junior, Dr. Prof. Eloi Rufato Junior, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Orientador

_____________________________________
Profa. Nastasha Salame da Silva, Dra.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná

_____________________________________
Prof. Paulo Cícero Fritzen, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná

A folha de aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia de Controle e Automação
AGRADECIMENTOS

Meus maiores agradecimentos aos meus pais, Rubens e Ivana, e ao meu
irmão Daniel, que tiveram toda a paciência, apoio e consideração durante o
desenvolvimento deste trabalho e por toda a minha vida.
Agradeço ao professor Eloi Rufato Junior, pelas suas orientações e por
acreditar na minha pesquisa e competências.
Por fim, ao governo brasileiro e ao sistema público de educação gratuito e de
qualidade, que proporciona o acesso e permanência de tantos estudantes
independente de sua renda, classe e cor. Assim como ao programa Ciência sem
Fronteiras (governo Dilma Roussef), que me possibilitou conhecer outras culturas e
ter o primeiro contato com o tema deste estudo.
RESUMO

KASSAR, Lucas Paulatti. Concepção de Modelo de Microrrede em Corrente
Contínua com Fontes Renováveis Alternativas. 2018. 85f. Trabalho de Conclusão de
Curso (Graduação em Engenharia de Controle e Automação), Departamento de
Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.

Este trabalho de conclusão de curso propõe um modelo de microrrede em
corrente contínua (CC), direcionado à classe residencial, como alternativa à
esgotada estrutura convencional centralizada presente no setor elétrico. O conceito
de microrrede consiste em uma rede de distribuição de baixa tensão apta a operar
de forma autônoma (isolada ou conectada à rede convencional), integrando
unidades de geração distribuída, sistemas de armazenamento e cargas, por
intermédio de métodos de supervisão, controle e proteção eficientes. A partir do
levantamento bibliográfico, foi realizada uma análise comparativa sob os aspectos
históricos e técnicos entre modelos de geração e transmissão de energia elétrica em
corrente alternada e contínua. Devido ao crescente desenvolvimento e
acessibilidade em torno dos materiais e tecnologias envolvidos principalmente na
área de eletrônica de potência, a operação em CC apresenta promissoras vantagens
em termos do rendimento referente principalmente aos meios de geração, conversão
e transferência de energia elétrica. A partir da apresentação das características e
configurações do sistema proposto e seus componentes, é realizado o estudo
perante os diferentes cenários de operação e análise de fluxo de potência.

Palavras-chave: Microrrede CC, Fontes Renováveis Alternativas, Sistemas de
Armazenamento, Métodos de Controle Inteligente, Análise de Fluxo de Potência.
ABSTRACT

KASSAR, Lucas Paulatti. Conception of a Direct Current Microgrid Model with
Alternative Renewable Sources. 2018. 85f. Trabalho de Conclusão de Curso
(Graduação em Engenharia de Controle e Automação), Departamento de
Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.

This bachelor graduation thesis purposes a direct current (DC) microgrid
model guided to the residential sector, as an alternative to the exhausted centralized
current electric system structure. The microgrid concept consists on a low-voltage
distribution grid able to operate autonomously (isolated or connected to the
conventional grid), integrating distributed generation unities, storage systems and
loads through efficient methods of supervision, control and protection. From the
bibliographic research this paper job was conducted as a comparative analysis under
the historical and technical aspects between generation and transmission electric
power models in alternating and direct current. Due to the increasing development
and accessibility of materials and technologies involved essentially in the power
electronics field, a grid operation in DC presents promising advantages in terms of
the performance related mainly with generation, storage, conversion, transmission
and usage of electrical energy. From the presentation of the characteristics and
configurations of the prosed system and its components, the study is performed
towards the different scenarios of operation and power flow analysis.

Keywords: DC Microgrid, Alternative Renewable Sources, Storage Systems, Smart
Control Methods, Power Flow Analysis.
LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - PROJEÇÃO DA PARTICIPAÇÃO DO SETOR RESIDENCIAL NO CONSUMO DE ENERGIA. ........................ 14
FIGURA 2 - PROJEÇÃO DE INVESTIMENTOS EM FONTES RENOVÁVEIS AO REDOR DO MUNDO (U$ BILHÕES). .... 15
FIGURA 3 - INTEGRAÇÃO DE GD NO SISTEMA ELÉTRICO DE DISTRIBUIÇÃO. ........................................................ 16
FIGURA 4 - NÚMERO DE CITAÇÕES ENCONTRADAS NOS SERVIDORES DA IEEE ENTRE 2000 E 2012 PARA OS
ASSUNTOS: GERAÇÃO DISTRIBUÍDA, MICRORREDE E SMART GRID. ............................................................. 19
FIGURA 5 - VISÃO GERAL DA HIDRELÉTRICA DE NIAGARA FALLS NOS ESTADOS UNIDOS (1904)...................... 26
FIGURA 6 - FORMAS DE ONDA DA TENSÃO E CORRENTE EM FUNÇÃO DO TEMPO PARA CA (A) E CC (B). .......... 28
FIGURA 7 - RELAÇÃO VETORIAL ENTRE Q, P, S E Θ. ........................................................................................... 36
FIGURA 8 - COMPARAÇÃO ENTRE CCAT E CAAT. .............................................................................................. 39
FIGURA 9 - ESTAÇÃO ARARAQUARA - CCAT RIO MADEIRA (2012). .................................................................. 40
FIGURA 10 - ESQUEMÁTICO DE CIRCUITO CC EM CARRO ELÉTRICO HÍBRIDO. .................................................... 42
FIGURA 11 - PROPOSTA DE SISTEMA HÍBRIDO. .................................................................................................... 45
FIGURA 12 - MICRORREDE CC DA UNIVERSIDADE DE SEVILHA. ......................................................................... 46
FIGURA 13 - TOPOLOGIA UNIPOLAR COM RETORNO POR CONDUTOR UNIFICADO. .............................................. 48
FIGURA 14 - CONFIGURAÇÃO BIPOLAR COM RETORNO POR TERRA. ................................................................... 49
FIGURA 15 - PADRÃO QUADRUPLEX SOB SISTEMA CC BIPOLAR PARA MÁXIMA CAPACIDADE DE POTÊNCIA. ...... 51
FIGURA 16 – GRÁFICO COMPRIMENTO X MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA PARA MODELOS CC E CA. 52
FIGURA 17 - HIERARQUIA DE COMANDO DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MR'S. ................................................ 61
FIGURA 18 - RELAÇÃO V X I EM UM ARCO ELÉTRICO. .......................................................................................... 64
FIGURA 19 - CARACTERÍSTICAS DE UM ARCO ELÉTRICO. .................................................................................... 65
FIGURA 20 - INTERRUPÇÃO DE SISTEMAS SIMILARES EM CC E CA, COM MCCB - 1000A. ............................... 66
FIGURA 21 - MODELO DE MR CC PROPOSTO...................................................................................................... 68
FIGURA 22 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO FLUXO DE POTÊNCIA NA MR CC PROPOSTA. ...................................... 73
FIGURA 23 – CASOS DE OPERAÇÃO DO CENÁRIO 1 DA MR CC. ......................................................................... 75
FIGURA 24 – CASO DE OPERAÇÃO DO CENÁRIO 2 DA MR CC. ........................................................................... 75
FIGURA 25 - CASOS DE OPERAÇÃO DO CENÁRIO 3 DA MR CC ........................................................................... 76
LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - DEMANDA MÁXIMA MÉDIA DOS SISTEMAS ISOLADOS NO BRASIL. .................................................... 44
TABELA 2 - CAPACIDADE TOTAL DE POTÊNCIA EM CABOS QUADRUPLEX SOB CC E CA. .................................... 50
TABELA 3 – PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE MICROGERAÇÃO. ............................................................................... 58
TABELA 4 - PRINCIPAIS TECNOLOGIAS DE SA. ..................................................................................................... 59
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

AIEE American Institue of Electrical Engineers
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BT Baixa tensão
CA Corrente Alternada
CAAT Corrente Alternada em Alta Tensão
CAES Compressed Air Energy Storage
CANBUS Controller Area Network Bus
CB Circuit Breaker
CC Corrente Contínua
CCAT Corrente Contínua em Alta Tensão
c.c. Curto-circuito
CCH Controlador de Corrente por Histerese
CDT Controlador por Droop de Tensão
CL Controle Local
CLP Controlador Lógico Programável
DC Direct Current
DSP Digital Signal Processor
DNO Distributed Network Operator
EPE Empresa de Pesquisa Energética
ETSI European Telecommunications Standard Institute
FP Fator de Potência
GC Geração Concentrada
GD Geração Distribuída
GSIP Gerador síncrono de imã permanente
HVAC High Voltage Alternate Current
HVDC High Voltage Direct Current
IEA International Energy Agency
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IEC International Electrotechnical Comission
IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor
LED light-emitting diode
MCCB Molded Case Circuit Breaker
MO Market Operator
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
MG Microgeração
MGCC Microgrid Cental Controller
MPPT Maximum Power Point Tracker
MR Microrrede
NTT Nippon Telegraph and Telephone
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell
PHS Pumped Hydro Storage
PFV Painel Fotovoltaico
PVC Cloreto de polivinila
RFB Redux Flow Battery
SA Sistema de Armazenamento
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
SIN Sistema Interligado Nacional
SMES Superconducting Magnetic Energy Storage
SoC State of Charge
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
TES Thermal Energy Storage
VE Veículos elétricos
XLPE Cross-linked Polyehtylene